通过探测这些粒子 我们可以看到宇宙诞生的第一秒钟

2021年4月5日10:20:50 评论 5

通过探测这些粒子 我们可以看到宇宙诞生的第一秒钟

曹俊-中国科学院高能物理研究所研究员

“中微子振荡不仅特殊,而且具有重大的科学意义,因为它可能突破现有的理论框架,发现新的基本自然规律。”

来源:格致论坛。作者:曹骏

我今天演讲的题目是《鬼粒子变换之谜》,其实是关于中微子振荡的。

中微子是宇宙中最基本的粒子之一,也是宇宙中数量最多的物质粒子,比我们知道的质子、中子、电子多十亿倍。

但它有一个奇怪的特性,就是基本上不与物质相互作用,所以很难探测到。

每一秒钟都有万亿个中微子穿过我们的身体,就像穿过空气一样,根本不会发生反应。

中微子还有一个很特殊的性质,就是可以自我改造。

在飞行过程中会从一个中微子变成另一个中微子,还能变回。我们称之为中微子振荡。

这是20多年前发现的中微子的一个非常特殊的性质。

中微子振荡不仅特殊,而且具有重大的科学意义,因为它有可能突破现有的理论框架,发现自然界新的基本规律。

宇宙的起源和演化中有很多未解之谜,可能与此有关,所以我们需要研究中微子振荡。

中微子振荡的发现过程

由于中微子难以探测,研究过程非常曲折复杂。今天和大家分享中微子振荡发现的故事。

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首先,当我们提到中微子振荡时,我们必须提到科学家——小柴昌俊。

他是日本科学家,写了一本自传叫《我不是一个好学生》,因为当时他是班上最后一名。

但是这样一个穷学生却成了中微子研究的先驱之一。他领导了日本神冈实验的建立,他的学生建造了一个5万吨级的超级神冈实验。

今年,下一代中微子实验——,顶级神冈实验也获得批准,预计2027年完成。

在开发神港实验的过程中,小柴昌俊开发了两项核心技术。

第一种是他现在拿着的50 cm光电倍增管,可以探测单光子,是一种非常灵敏的光电探测技术。

另一项技术,我们称之为挖坑和灌溉水。他们在地下1000米挖了一个坑,倒了3000吨纯净水。

到1996年,它们装满了5万吨纯净水,这仍然是世界上最大的检测器。

在下一代,他们将建造一个26万吨纯净水的探测器。

然而,小柴昌俊去中微子研究纯属偶然,因为他最初的物理目标不是中微子,而是质子衰变。

我们知道,自然界是由六个夸克和六个轻子组成的,然后有三种力把这些基本粒子结合起来形成宏观物质。例如,质子由三个夸克组成。

在宇宙诞生的最早阶段,弱相互作用力和电磁力其实是同一个力,这两个力是统一的,这是我们已经发现的科学规律。

那么大家想,有没有可能这三种力在宇宙早期是统一的,或者说在能量较高的时候是同一种力,我们称之为大统一论?

如果能把这些力统一成一个力,就会出现质子衰变的现象,这就是小柴昌俊当时寻找的质子衰变现象。

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如果质子衰变,整个世界就会分崩离析,变成尘埃之类的东西。

但是不用担心,神刚实验和超级神刚实验都没有发现质子衰变,并且给了它一个下限,也就是说,即使质子衰变,它的寿命也会比10次方长到34次方。

我们知道现在宇宙的寿命是138亿年,也就是10的十分之一次方,所以质子的寿命至少比宇宙长1000亿倍,你不用担心。

虽然没有发现质子衰变,但他们偶然发现中微子有重大问题。

我们周围有很多中微子。比如BIGBANG的第一秒产生了无穷多个中微子,这些中微子一直保留到现在。

在我们周围每立方厘米的空间里,在整个宇宙中,有300个中微子。

只是它们随着宇宙的膨胀变得极其寒冷,没有办法探测到。如果我们有办法探测到这些中微子,我们总能看到宇宙诞生的第一秒。

我们也知道宇宙中的超新星爆发会产生大量的中微子。当太阳升温时,里面的轻核聚变也会释放出很多中微子。

宇宙射线撞击地球大气层,产生大气中微子。人工加速器产生中微子。

地球上有放射性的铀、钍、钾,它们的衰变会产生中微子。

核电站在发电的过程中也会产生大量的中微子。

比如大亚湾核电站的六个反应堆,每一秒钟能够产生35万亿亿个中微子。

我们人体里面也会产生中微子。每个人身体里都有钾,钾40会衰变,每天会产生四亿个中微子。

这和质子衰变有什么关系呢?因为质子衰变即使有,也是非常稀少的,为了看到质子衰变,我们必须要把所有的假信号全部去除掉。

所以要想看到质子衰变,我们必须要把这些假信号研究清楚。大气中微子就是其中一个最重要的假信号来源。

为了研究质子衰变,1988年,小柴昌俊的学生梶田隆章就对大气中微子进行了非常深入的研究。

他发现了一个很反常的现象,就是大气中微子和我们想的不一样,他看到的大气中微子的数目比我们预期的要少很多。

这和理论不一样,我们把它叫做大气中微子反常。

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他看到了大气中微子反常,但是神冈实验没有办法给出更多的信息,我们并不知道它为什么会出现这种现象。

如果想把它研究清楚,我们需要一个性能更好、更大的探测器,需要花很多钱。

如果不能建这样一个探测器,也许会花费我们更长的时间,才能知道中微子振荡现象。

但是神冈实验的运气非常好,就在小柴昌俊退休的前一个月发生了一次超新星爆炸。

超新星爆炸在宇宙的演化过程中起着非常重要的作用,比如组成人体的很多比较重的元素,只有在超新星爆发中才能合成。

太阳系也是一次超新星爆炸留下来残余物。

小柴昌俊他们通过神冈实验,看到了超新星爆炸的中微子,证实了中微子在超新星爆炸中起着非常重要的作用。

这是一个非常有意思的成果。

而且他们运气很好的另一个方面,就是神冈实验最初设计出来不是为了探测中微子的,它是为了探测质子衰变的。

它探测的能量比较高,如果这样是看不见中微子的,即使超新星爆炸了也看不见。

1985年,他们想去研究太阳中微子,因为太阳中微子也出了问题,所以他把探测器做了三项重要的改进,花了两年的时间不停地改进技术。

最后就在1987年,超新星爆发之前不久,可能只有一个月时间,解决了所有技术问题,能够探测到低能中微子,这样他们就看到了超新星中微子。

我们刚才说了,因为超新星中微子非常重要,所以这个重要的成果使小柴昌俊获得了2002年的诺贝尔奖。

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也因为这个重要的成果,日本政府觉得中微子研究很有前途,所以批准了他们建一个非常大的探测器,来研究大气中微子反常。

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这就是他们建造的超级神冈的探测器,里面有5万吨的纯净水,周围我们看到的这些小点,都是一个个直径50厘米的光电倍增管。

为了装这些光电倍增管,他们划着小船,在里面一层一层地安装。

有了这样一个更好的探测器和更多的数据量,1998年时,梶田隆章就利用超级神冈的数据发现了中微子振荡。

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他发现电子中微子和我们的预期是一样的,没有减少。

但是另一种中微子,缪(μ)中微子减少了,而且减少的程度和中微子飞行的距离是有关系的。

这样就发现了中微子振荡的一个关键证据,和飞行的距离有关系。

虽然超级神冈是第一个发现中微子振荡的,但是第一个发现中微子振荡的迹象的并不是超级神冈实验。

更早的时候,有一个美国科学家戴维斯,他想用一种核化学的办法寻找中微子存在的证据。

中微子是1930年被预言,1956年被实验探测到的,那时还没有探测到,他想首先去找中微子存在的依据。

于是他跑到反应堆前去测中微子,没有测到,因为那时我们对中微子的了解还不够多,不知道正中微子跟反中微子是不一样的粒子。

他的方法只能测到正中微子,不能测到反中微子,所以他没有看到。另一个科学家用另一种办法抢先发现了中微子存在的依据。

然后他就把他的探测器搬到了一个地下1000多米的井里,去探测太阳中微子。

太阳中微子的探测也非常重要,因为我们很早就猜测,太阳的能源来源有可能是轻核聚变。

但是太阳离我们这么远,而且我们看不见太阳里面发生了什么事,所以这只是一个猜想。

但是中微子会给我们提供一个新的途径,因为中微子的穿透能力非常强,它可以从太阳的核心一直穿到地球上来。

这样我们探测到太阳中微子,就知道在太阳里面发生了什么事。

戴维斯在七十年代探测到了太阳中微子,他也因为这个成果获得了2002年的诺贝尔奖,和小柴昌俊一起。

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他不光探测到太阳中微子,而且发现太阳中微子有一个特别奇怪的现象。

就是我们看到的中微子比预期的要少很多,只看到了三分之一,大部分的中微子都丢了。

这叫做太阳中微子失踪之谜。

为什么丢呢?

早期我们大家也猜想,是不是中微子存在振荡现象,这样它在飞行过程中就丢了。

但是,如果是因为中微子振荡,因为太阳很大,不同地方产生的中微子飞到地球的距离不一样,这样我们看到的应该是一个平均的效果。

中微子最多只能丢一半,因为平均下来就只会丢一半。而他看到的是三分之二都丢了,所以大家觉得不是中微子振荡。

不同的实验给出的结果也不一样,有的说丢了一半,有的说丢了三分之二等。

另外这个实验非常困难,大家说,如果是这个实验做得不准怎么办?

他不服,然后就不停地做这个实验,一直做了30年,30年的结果显示出来,确实是丢了三分之二。

他获得诺贝尔奖时,是当时年纪最大的获奖者。

1984年,有一个华人科学家,叫陈华森,是美国加州大学尔湾分校的,他提出来一个非常天才的想法。

他说如果用重水去探测太阳中微子,同时可以探测三种过程,就可以知道到底是太阳发出的中微子本来就比较少,还是在太阳飞到地球的过程中减少了。

他提出在加拿大的萨德伯里做这个实验,是因为他要用1000吨的重水,重水非常贵。

但是加拿大的反应堆是采用重水堆的技术路线,所以核电站有很多重水,于是他花了一美元,借了1000吨重水,价值3亿美元。

但是很不幸,提出这个实验三年后他就因病去世了,如果不是因为他生病,中微子振荡的诺贝尔奖应该是他的。

在他去世后,加拿大人麦克唐纳接替了他的工作,建成了萨德伯里实验,同时在2001年发现了太阳中微子振荡现象。

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就是太阳发出的中微子总数其实没有减少,我们都看见了,太阳发出的电子中微子确实是变少了,也就是说电子中微子变成了其他种类的中微子。

同时理论上也有比较大的进展,就是在太阳里有很大的物质效应,这些物质效应会改变中微子振荡的行为。

不同的实验可以看到不一样的结果,这样也解释了不同实验的矛盾。到此为止,我们就相信中微子振荡确实是存在的。

因此,2015年的诺贝尔奖授给了梶田隆章和麦克唐纳,表彰他们发现了中微子振荡现象,证实了中微子有质量。

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中微子有质量是第一次有坚实的实验证据,超出粒子物理的标准模型,我们有可能会通过中微子振荡的研究突破现有的理论框架,发现自然界的新规律。

第三种振荡存在吗?

我们知道一共有三种中微子,我们已经发现了大气中微子和太阳中微子振荡。

三种中微子应该存在三种振荡,所以还应该有一种振荡,我们把它叫做用θ13标志的振荡。

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在八十年代和九十年代,法国和美国各做了一个实验,也就是图中一公里的地方的这两个实验,他们说没有看到振荡。

一直到2002年,日本发表的成果里都已经假定这个振荡就是零。

如果这个振荡是存在,它应该像右图中蓝色的线,那里有一个非常快的振荡。

在离反应堆两公里的地方,我们应该看到中微子的变化。

因此,2003年我们就提出做大亚湾反应堆中微子实验,这个实验是在大亚湾核电站的园区里。

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这张图上有六个黑色的小圆点,这就是大亚湾和岭澳核电站的六个反应堆。

在地下有三个实验大厅,它们是建在山体里面的,通过隧道连起来。

有两个近点实验厅是靠近两个反应堆的,这些反应堆用来监控核电站到底放出来多少中微子。

有一个远点,放了四个探测器,这个远点就能探测中微子从反应堆飞出来以后有没有变化。

到2012年时,我们这个实验大厅是2011年底刚建成的,然后就发现了新的中微子振荡。

而且发现这个振荡的参数比预期的要大很多,是我们没有想象到的大,所以打开了未来中微子研究的大门。因为如果这个振荡很大,那么中微子的下一步研究现在就可以做。

如果这个振荡非常小,或者说等于零,那么我们现有的技术就没有办法进行这样的实验。

也许还要花上几十年的时间去研发新的技术,才能知道怎样提高中微子的探测效率,然后才能做这项实验。

所以大亚湾发现这个新的振荡后,全世界的中微子科学家都非常高兴,因为我们接下来就可以做下一步的实验了。

这个成果获得了2016年的国家自然科学一等奖和美国的科学突破奖。

在我们看到的这个水池里,应该有两个中微子探测器,每一个探测器的直径是5米,重110吨。

但是,我们这里只放了一个,为什么呢?

是因为我们设计了8个探测器,近点2个,远点4个,有两个近点。

但是2011年,日本有一个实验表明,这个振荡有可能比较大。

很不幸,因为2011年的福岛地震把他们的实验装置震坏了,没有办法进行实验,所以把这个半吊子的结果发表了。

我们当时就进行了很多讨论,如果我们继续按照这个节奏走,他们有可能会抢先发现中微子振荡。

我们经过反复的论证,最后决定不等所有探测器修完,只用六个探测器就开始了运行。

所以这个水池里只有一个探测器,远点的水池里实际上只放了三个探测器,一共六个探测器。

我们只用了55天的数据,就发现了新的中微子振荡。

发现后,我们又运行了半年时间,然后停机,把八个探测器全部装上去,然后一直运行下来。

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给大家分享几张照片,这是我们连接各个实验厅的隧道的照片。

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这张照片就是工作人员在实验厅里安装中心探测器。

每一个探测器110吨,我们把它吊装到水池里后,在上面连接电缆。从2012年在大亚湾刚装完全部探测器后,一直稳定地运行。

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我们计划2020年12月12日停止运行,一共运行了9年。

中微子振荡研究并未结束

发现中微子振荡后,我们主要做了三个方面的研究,第一个方面是继续提高振荡的测量精度。

现在的振荡精度从最初的20%提高到3%。

因为这是一个自然界的基本参数,几乎所有的中微子研究都会用到这个参数,也有很多粒子物理的理论需要用到这个参数,所以这个参数的精确度是非常重要的。

我们现在是世界上最高的精度,而且未来20年,不会有实验比我们更加准确。

第二方面的成果是测量反应堆中微子的能谱,这是一个意外的成果,是我们在设计过程中没有想到的。

在研究中微子振荡的过程中,我们顺便测了反应堆发出来的中微子能谱,然后发现它和理论不一样。

首先是总数差了5%。第二,在这里可以看到,在中间有一个地方比预期的要多很多。

为什么多很多?我们现在不知道。所以准备做一个新的实验,叫台山中微子实验,去解决这个问题。

我们认为,有可能是因为核数据库不准确,通过这个实验,我们将会提高核数据库的精度。

第三个是寻找新物理,以前有两个美国实验,认为存在第四种中微子,叫做惰性中微子。我们的结果证明,他们的结果可能是错的。

在大亚湾发现第三种振荡后,我们已经知道了三种振荡,但是中微子振荡的研究并没有结束,还有两个非常重要的问题需要解决。一个是中微子的质量顺序,另一个叫中微子的CP破坏。

中微子的质量顺序,就是三种中微子哪个最重,哪个最轻。

质量顺序和宇宙的大尺度结构有关系,和中微子的质量起源也有关系,所以非常重要。

中微子CP破坏的大小和宇宙起源过程中的反物质消失之谜是有关系的。

所以这两个问题是未来一二十年迫切需要解决的问题,而且都具有非常重要的意义。

2008年,我们其实就提出了江门中微子实验的想法,2013年就开始做这件事,2015年开始修探测器,现在快修完了。

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我们计划在地下700米的地方修一个很大的实验厅,里面放一个水池。

然后里面有一个有机玻璃球,灌两万吨的液体闪烁体,周围有四万个光电倍增管来探测中微子振荡。

这个实验在广东的江门开平市,为什么放在这个地方呢?

是因为我们是用反应堆中微子来做这件事,它需要离反应堆60公里左右。我们挑的这个地方离台山和阳江两个核电站都是60公里。

而且必须要离两个反应堆距离相等,否则不同的振荡就会相互抵消,把信号抵消掉,所以我们就必须要在这个地方做这个实验。

那里有一个小山包,然后我们在这个小山包下面往下挖,挖了700米,修了这个探测器,中间有一系列的技术问题需要解决。

比如我们建了国内最大的地下洞室,还将会建一个国际上最大的有机玻璃容器。

以前容器的最大直径是12米,我们要建一个35.4米的有机玻璃容器,有12层楼那么高。

我们和工厂一起做了很多研发,解决了这个关键问题。

然后我们需要世界上探测效率最高的光电倍增管。

我们2008年提出这个实验想法时,以那时候的技术是做不出来的,而且只有日本人会做这么大的光电倍增管,就是从神冈实验开始。

为了做这个实验,我们从2008年就开始做研发,最终自己发展出来量子效率最高的光电倍增管,现在比日本的量子效率还要高。

现在我们这个实验,绝大部分的光电倍增管都会采用我们国产的大口径的光电倍增管。

正是因为有了这个光电倍增管,量子效率提高了一倍,所以我们才能做这件事。

同时我们要采用世界上最透明的液体闪烁体,因为这个探测器很大,如果不够透明,里面产生的光传到边上就会没有了。

现在这个地下隧道已经基本完成了,2020年底,我们会完成全部的开挖工作,安装过程大概需要两到三年。

2023年,我们就可以投入运行。

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这就是江门中微子实验安装现场的照片,是非常漂亮的一个地方。

我们看到有两条红线,一条红线是40%坡度的斜井,我们通过这个走1.3公里,就会到达我们的地下实验大厅。

这个斜井的缆车和风景点的缆车不太一样,我前天刚去了一次,往下要走20多分钟。

到地下去时,每往地下走100米,由于地球里面散发的地热,温度就会往上升两到三度。

所以到我们这个探测器那,现在地下岩石的温度是31度,而且湿度是100%,到处都在滴水。

所以往下走20分钟,上来时全身都是湿漉漉的,最想做的事就是马上洗澡。

这张图里,在远处的山坳里还有一个竖井,这个竖井会垂直到我们的探测器那里,旁边一点点的山底下,就是中微子探测器。

在江门中微子实验2023年建成后,我们需要6年的时间来测量中微子质量顺序,中微子质量顺序是江门最重要的物理目标。

在此之前,我们还可以做很多事。

比如中微子振荡共有六个振荡参数,我们可以把其中的三个测到世界最高的精度,好于1%,这是只有江门中微子实验能做的事。

然后我们可以探测太阳中微子,解决现在的一个矛盾问题,大概需要几年的时间。

我们可以探测到很多地球发出的中微子,我们一年的数据比现在所有的地球中微子数据还要多。

我们用六到十年的时间,通过探测地球发出的中微子,能够确定地球物理的演化模型。

可以探测到超新星的背景中微子,就是以前的超新星死亡以后发出来的中微子,它们会弥散在整个宇宙空间,探测到这些中微子,就能够知道宇宙的大尺度结构。

我们花六到十年的时间,应该就能探测到超新星背景中微子。

同时我们知道,1987年以来,再也没有近距离的超新星发生过。

如果它再发生一次,我们能够探测到大概5000个中微子,而以前探测到的所有中微子只有20多个。

有了这么精确的数据,我们能就超新星爆发的机制给出一个很好的限制。

当然我们也可以去寻找质子衰变。

除了江门中微子实验外,现在国际上还有两个同样规模的实验正在建设。

一个是美国的沙丘实验,他们刚刚开始建设,可能会在2027到2030年之间建成。

另一个是日本的顶级神冈实验,也计划2027年建成。他们比我们都要晚。

这是三个世界上最大的下一代中微子实验,有很多物理目标是相同的,但是又各有所长。

有的是你测的好一点,有的是我测的好一点,这样既有竞争,也有合作,互相弥补。

所以未来的十几年,中微子振荡的相关研究会给我们带来更多的惊喜,更多的科学发现。

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